CN1945897A - 基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线 - Google Patents

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Abstract

基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线由相对独立的喇叭天线和基于基片集成波导技术的频率选择表面两部分构成。天线部分是由馈电的标准X波段金属波导(1)和方锥形喇叭(2)构成。频率选择表面是在具有双面金属面(4)的介质基片(3)上，在双面金属面(4)上刻有上下表面完全相同的周期性“#”形缝隙单元(5)，在基片上围绕每个“#”形周期性缝隙单元(5)以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(6)，形成引入传统金属腔体谐振模式的新型频率选择表面。这种新型的滤波天线与普通端接波导滤波器的喇叭天线相比，在工作频段具有同样优良的辐射性能。在工作频段以外，新的滤波天线能有效降低系统的雷达散射截面，提高隐身性能。

Description

基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线
技术领域
本发明是一种在喇叭口面上加载基于基片集成波导技术的频率选择表面而形成具有滤波特性的天线，在实现正常通信的同时能显著降低带外的雷达散射截面从而起到隐身的效果，属于微波技术领域。
背景技术
多功能集成器件特别是滤波器和天线的集成已经受到广泛关注。在具有灵敏接收机的通信系统中，其射频前端需要带通滤波器将需要的信号分离出来，很多情况下带外干扰比所需信号还强，这就对前端滤波器的指标要求非常苛刻。目前很多学者寻求在天线上集成滤波器对信号进行预滤波以降低后面电路的指标。
在飞机、舰艇和导弹等武器平台上，广泛使用频率选择表面来降低天线的雷达散射截面。受这些平台结构和形状的限制仅仅把频率选择表面放置在天线前面非但不能降低其雷达散射截面，而且天线的辐射特性也会剧烈恶化，这就需要把天线和频率选择表面进行集成的一体化设计。国际上早期研究主要基于频率选择表面类似于完全磁导体的高阻抗特性把它做为天线的介质基片来提高天线的辐射性能。后来有人用多模等效网络的方法分析了频率选择表面和终端开路波导阵列集成结构的滤波特性。我们首次用喇叭天线和基于基片集成波导技术的频率选择表面成功实现了滤波特性和辐射特性的双功能的集成，同时还具有降低系统的雷达散射截面和抗外部电磁干扰的功能。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于喇叭天线口面频率选择表面加载的滤波天线，这种天线在工作频段保留了喇叭天线的优异辐射性能，在工作频段以外成全反射状态，可以有效降低带外干扰，而且口面上的频率选择表面能显著降低该天线的雷达散射截面，提高隐身性能。而且性能稳定，结构紧凑，易于加工成本低。
技术方案：基于喇叭口面的频率选择表面加载滤波天线(filtenna：filteringantenna)由两部分独立结构合成的多功能集成模块。其中频率选择表面部分使用是基于基片集成波导技术的新型频率选择表面，这种新的结构引入腔体的高品质因素谐振来提高频率选择特性，增强它对于激励源的入射角度和极化的不敏感性以及各种环境下的带宽稳定性。而天线部分采用的是由标准的X波段波导馈电，E面张角34°，H面张角50°的方锥形喇叭。在结构上，方锥形喇叭和馈电波导由机械加工制成，其中馈电波导的宽度和高度分别为22.86毫米和10.16毫米。喇叭的长度为50毫米，喇叭口面的宽度和高度分别为72毫米和43毫米。频率选择表面部分用微波板经印刷电路板工艺制成。它的上下表面为金属面，中间由介质层充填构成。在上下金属表面上刻有位置、尺寸以及周期长度完全相同的周期性“#”形缝隙单元，然后在基片上围绕每个“#”形缝隙单元以均匀的间隔在四周设有一系列金属化通孔，形成等效于传统矩形金属腔体的基片集成波导腔体。在上下金属表面蚀刻的“#”形缝隙为关于长宽两个方向完全对称的。在X频段中心频率为10GHz时上下表面“#”形缝隙单个缝隙的长度为11.0毫米，宽度为0.8毫米，两个平行单个缝隙的间距为2.0毫米。板材为介电常数2.65的F4B材料，其介质层厚度为1.0毫米，金属层厚度为0.036毫米。金属化通孔的直径为1.0毫米，金属化通孔阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为1.5毫米。两部分分别加工完后，把频率选择表面固定在喇叭的口面上。为了保证集成模块的性能，最重要的是尽量确保任一排缝隙单元的中心位置与喇叭口面的中心位置保持在一条水平线上。
工作原理为：工作频段内该滤波天线和普通的喇叭天线一样把波导馈进来的信号毫无损耗转化为平面波辐射到空间，频率选择表面相对这一频段的信号呈现全透明状态。当在工作频率以外，外面的平面波斜入射到天线时，口面上的频率选择表面将平面波全部反射到另一个方向，这样就实现了抗干扰和降低雷达散射截面，达到隐身的目的。
有益效果：基于喇叭口面频率选择表面加载滤波天线具有以下优点：
a这种新型天线很好的集成了滤波特性和辐射特性。在工作频带内保留了喇叭天线的优良辐射特性，其辐射方向图、增益、旁瓣电平、副瓣电平与同尺寸的喇叭天线几乎一样。而在工作频带外对带外的干扰信号或检测信号呈现全反射特性，实现了抗干扰和雷达散射截面缩减的功能，起到隐身的目的。
b这种新型天线与传统的后接波导滤波器的喇叭天线相比多集成了雷达散射截面缩减的功能，提高了系统的隐身效果，同时体积减小。
c这种新型天线制造简单方便，频率选择表面由上下表面覆有金属的介质基片经过普通PCB工艺实现，喇叭天线和馈电波导部分由机械加工制成，制造成本低廉。
附图说明
图1是本发明示意结构的俯视图。Hl为喇叭的长度，Hw为喇叭口面的宽度，Hh为喇叭口面的高度，aE为喇叭的E面张角，aH为喇叭的H面张角，Ww为馈电标准波导的宽度，Wh为馈电标准波导的高度，P为一个周期性单元的周期长度和宽度，C为一个周期性单元中金属化通孔构成的基片集成波导腔体的长度和宽度，L为上下金属表面“#”形缝隙单个的长度，W为单个缝隙的宽度，Wd为两条平行缝隙的间距，d为通孔直径，dp为相邻两个通孔的孔心距，h为介质层厚度，mh为金属层厚度。
图2是本发明一个示意的局部单元的结构侧视图。
图3是本发明一个示意的局部单元的透视图。图中有：用于馈电的标准X波段金属波导1，锥形喇叭2，介质基片3，上下金属表面4，在上下金属表面上开的周期性“#”形缝隙槽单元5，金属化通孔6。
图4是本发明的整体结构示意图。
图5是本发明的回波损耗的仿真结果和测试结果比较。
图6是本发明在测试传输响应的结构框架图。
图7是本发明在θ为0°时传输响应的测试结果。
图8是本发明在θ为30°时传输响应的测试结果。
图9是本发明在工作频带外频率为8.5GHz时辐射方向图的测试结果。
图10是本发明在工作频带内频率为10.0GHz时辐射方向图的测试结果。
图11是本发明在工作频带内频率为10.5GHz时辐射方向图的测试结果。
图12是本发明在工作频带外频率为11.5GHz时辐射方向图的测试结果。
图13是本发明和传统的结合波导滤波器的天线在匹配状态下TM波20°斜入射示意图。
图14是本发明和传统的结合波导滤波器的天线在匹配状态下TM波20°斜入射下的雷达散射截面的比较图。
具体实施方式
本发明的制造过程为：首先通过机械加工的方式，制作给定规格的馈电波导和方锥形喇叭，并在喇叭的口面处的金属壁上加工用于固定频率选择表面的辅助定位结构。再切割一块合适大小的微波基片，在基片的上下两个金属面同一位置处蚀刻尺寸完全相同的“#”形缝隙。然后基片上围绕每个周期性“#”形缝隙单元以均匀的间隔打一系列金属化通孔形成等效于传统金属腔体的基片集成波导腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体间产生能量泄露。这种频率选择表面结合了传统周期性结构和普通腔体结构的传输特性和场分布，因此具有良好的频率选择特性。将加工好的频率选择表面固定在喇叭口面的定位结构上，一定要保证频率选择表面其中一行水平周期单元的中心位置与喇叭口面的中心位置在同一水平线上，这样才能保证新型滤波天线具有良好的通带特性。整个结构普通机械加工和普通的PCB工艺实现，制作简单，成本低廉。
我们在X波段所实现了以上介绍的基于喇叭口面新型频率选择表面加载的喇叭天线，介质基片的相对介电常数εr和整个结构几何参数(见图1、2、3、4)如下：
  εr   2.65   Hl(mm)   51
  Hw(mm)   72   Hh(mm)   43
  αE   34°   αH   50°
  Ww(mm)h(mm)d(mm)dw(mm)P(mm)L(mm)Wd(mm)   22.861.01.0014.011.02.0   Wh(mm)mh(mm)dp(mm)dh(mm)C(mm)W(mm)   10.160.0361.5014.00.8

Claims (3)

1.一种基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线，其特征在于该滤波天线由天线和频率选择表面两部分构成，天线部分包括馈电的标准X波段金属波导(1)，方锥形金属喇叭(2)；频率选择表面部分包括介质基片(3)、双面金属面(4)，在介质基片(3)的两面为双面金属面(4)，双面金属面(4)上刻尺寸相同中心位置重合的“#”形缝隙槽(5)，最后在基片上面围绕每个周期性“#”形缝隙单元(5)以均匀的间隔设有一系列金属化通孔(6)。
2.根据权利要求1所述的基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线，其特征在于用于馈电的标准X波段金属波导(1)宽度为22.86毫米，高度为10.16毫米，以及用于辐射信号的方锥形喇叭(2)其长度为50毫米，口面宽度为72毫米，口面高度为43毫米，E面张角为34°，H面张角为50°。
3.根据权利要求1所述的基于喇叭口面频率选择表面加载的滤波天线，其特征在于基于基片集成波导腔体技术的频率选择表面，在X频段中心频率为10GHz时上下金属表面的“#”形缝隙槽(5)的单个缝隙长度为11.0毫米，宽度为0.8毫米，平行缝隙的间距为2.0毫米；金属化通孔(6)的直径为1.0毫米，金属化通孔(6)阵列间两个相邻金属化通孔的孔心距为1.5毫米；使用介质基片为介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为1.0毫米。
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